Respiración celular - Catabolismo

Catabolismo de los glúcidos

A. Glucolisis

Del griego glycos: azúcar y lysis: ruptura. Es el primer paso de la respiración, es una secuencia compleja de reacciones que se realizan en el citosol de la célula y por el cual la molécula de glucosa se desdobla en dos moléculas de ác. pirúvico.

Es el ciclo metabólico más difundido en la naturaleza, también se lo conoce como ciclo de Embden-Meyerhof . Se lo encuentra en los cinco reinos. Muchos organismos obtienen su energía únicamente por la utilización de este ciclo. El mismo esta catalizado por 11 enzimas que se encuentran en el citoplasma de la célula pero no en las mitocondrias.

Recuerde que es el inicio de un proceso que puede continuar con la respiración celular (si existe oxígeno) o con la fermentación (en ausencia del oxígeno).

1. Fase de inversión de energía: en esta etapa de preparación (fase de 6-carbonos) se activa la glucosa con el agregado de dos grupos fosfatos provenientes del ATP , gasto neto = 2 ~Pi (o sea dos uniones de alta energía). La molécula de glucosa se divide en dos moléculas de tres carbonos: el gliceraldehido-3-fosfato (G3P) y la dihidroxiacetona fosfato, ésta última luego se transforma en G3P.

2. Fase de "cosecha" de energía: las dos moléculas de G3P se convierten finalmente a 2 moléculas de ácido pirúvico o piruvato.

• Fase de oxidación (producción de energía): cada gliceraldehido-3-fosfato se oxida, liberando ~ 100 kcal. Parte de la energía producida es temporariamente guardada como NADH (reducido). Parte es usada para agregar un fosfato inorgánico a la molécula de 3 carbonos para dar origen al ácido 1-3 difosfoglicérico. El resto de la energía se libera como calor.
• En las reacciones que siguen los grupos fosfato de 1-3 difosfoglicérico son cedidos (uno por vez) al ADP (adenosín difosfato) para formar ATP. Esto se conoce como fosforilación a nivel de sustrato.

Balance neto: glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ---> 2 piruvatos + 2 ATP + 2 (NADH + H+)

La energía total acumulada en 2 ATP = 2 x 7.3 = 14.6 kcal/mol
La energía total que se puede obtener de la glucosa por oxidación aeróbica es = 688 kcal/mol.

Esto es un ~ 2% de rendimiento, si se tiene en cuenta la posibilidad de oxidar completamente la glucosa, es decir que el 98% de la energía potencialmente disponible no es usada por la célula.

Los dos NADH + H+ pasan a la cadena de transporte de electrones en ambiente aerobios y pueden dar más ATP, recuperándose el NAD en su forma oxidada.

B. Respiración celular
Es el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis es desdobla a CO2 y H2O y se producen 36 ATP. En las células eucariotas la respiración se realiza en la mitocondria. Se da en 3 etapas:

B.1. OXIDACIÓN DEL PIRUVATO
Es el lazo entre la glucólisis y la respiración celular Es un complejo de reacciones catalizado por un sistema de enzimas localizado en la membrana mitocondrial interna.

• El piruvato difunde hasta la matriz de la mitocondria, cruzando ambas membranas.
• Cada ác. pirúvico reacciona con la coenzima-A, desdoblándose en CO2 y un grupo acetilo de dos carbonos que se une inmediatamente a la coenzima-A formándo acetil coenzima-A (acetilCoA) que entrará al ciclo de los ác. tricarboxílicos. En esta reacción se forma un NAD + H2.

Nota: La Acetil-CoA puede también producirse a partir de lípidos (por beta oxidación) o del metabolismo de ciertos aminoácidos. Su formación es un nodo importante del metabolismo central.

B.2. CICLO DEL ÁC. TRICARBOXÍLICO

Este ciclo, también conocido como Ciclo de Krebs o Ciclo del ác. cítrico tiene esencialmente la función de completar el metabolismo del piruvato derivado de la glicólisis. Las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Krebs) están localizadas en la matriz de la mitocondria (unas pocas de estas enzimas están la membrana interna de la mitocondria). Su punto de partida es el Acetil-CoA, obteniéndose CO2 y transportadores de electrones reducidos.

Balance de una vuelta: Acetil-CoA (2-C) + 3 NAD+ + FAD -------> 2 CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP

Balance para una molécula de glucosa que se convierte en 2 piruvatos, luego en 2 Acetil-CoA y luego a CO2 en la vía el ciclo de los ácidos tricarboxílicos , con todo el NADH y el FADH convertidos en ATP por la respiración: 1 glucosa + 38 ADP + 38 Pi -------> 6 CO2 + 38 ATP

Nota: 2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis. Para ser transportados a la matriz mitocondrial para ser posteriormente oxidado por la cadena transportadora de electrones, tienen que pasar por medio de transporte activo al interior de la mitocondria , Esto "cuesta" 1 ATP por NADH.

Por lo tanto el balance final resulta en 36 ATP por glucosa y no 38 ATP.

La eficiencia de la respiración llega casi al 40%. de la energía presente inicialmente en la molécula de glucosa, y es conservada en forma de ATP; el resto se libera como calor.

B.3. CADENA RESPIRATORIA
En este punto la célula ha ganado solo 4 ATP, 2 en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs, sin embargo ha capturado electrones energéticos en 10 NADH2 y 2 FADH2. estos transportadores depositan sus electrones en el sistema de transporte de electrones localizado en la membrana interna de la mitocondria.

Es un sistema multienzimático ligado a membrana que transfiere electrones desde moléculas orgánicas al oxígeno.

• Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportador ("carrier") a otro. 
• Los protones son translocados a través de la membrana, estos significa que son pasados desde el interior o matriz hacia el espacio intermembrana. Esto construye un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor terminal del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua.

A medida que los electrones fluyen,los protones (H+) son transferidos desde el interior al exterior de la membrana. Esto construye un gradiente de protones , dado que las cargas + son retiradas del interior mientras que las -, permanecen en el interior (en gran parte como iones OH- ), el pH en la cara externa de la membrana puede llegar a un pH 5,5, mientras que el pH justo en la cara interna de la misma puede llegar a 8,5 ---> la diferencia es de 3 unidades de pH.  

Dado que la membrana es básicamente impermeable a los protones, por lo tanto el gradiente no se desarma por una constante re-entrada de los mismos, y teniendo en cuenta que la ATP sintetasa complejo proteico (conocido también como "lollipops", complejo F1, ATPasa mitocondrial) contiene el único canal para la entrada del protón, por lo tanto a medida que los protones pasan por el canal, se produce la siguiente reacción: ADP + Pi ---> ATP

Este proceso puede llamarse: fosforilación quimiosmótica o fosforilación oxidativa. Los electrones que son transportados por el FADH2 se encuentran en un nivel energético ligeramente inferior que los del NADH. En consecuencia, entran en la cadena de transporte más abajo, a la altura de la CoQ. Los electrones finalmente son aceptados por el oxígeno, que se combina con protones (iones hidrógeno) en solución, y forman agua.

Vídeo excelente de cadenatransportadora y Fosforilación Oxidativa 

 

Inhibidores de la Fosforilación oxidativa

Numerosos productos químicos pueden bloquear la transferencia de electrones en la cadena respiratoria, o la transferencia de electrones al oxígeno. Todos ellos son potentes venenos, entre ellos:

• Monóxido de Carbono -- se combina directamente con la citocromo oxidasa terminal, y bloquea la entrada de oxígeno a la misma.
• Cianuro (CN-) se pega al hierro del citocromo e impide la transferencia de electrones.

Producción directa de calor

Si bien las células utilizan el ATP para almacenar la energía derivada de ellos, en ciertos tejidos la fosforilación oxidativa se desacopla de la formación de ATP y la energía se transforma directamente en calor. En mamíferos "la grasa parda" (un tejido que, amén de las gotitas de lípidos, contiene una inusual cantidad de mitocondrias) es el encargado de la producción del calor en esta forma. Curiosamente, un tejido similar con el mismo mecanismo de producción de calor, se encuentra en las flores de Philodendrum selloum.

Otras vías catabólicas y anabólicas

La mayoría de los organismos no se alimentan directamente de glucosa. ¿Cómo extraen energía de las grasas o de las proteínas? La respuesta radica en el hecho que el ciclo de Krebs es un gran centro de comunicaciones para el metabolismo de energía. Otros alimentos son degradados y convertidos a moléculas que pueden entrar en esta vía central.

Dado que muchas de estas sustancias, como las proteínas y los lípidos, pueden degradarse y entrar en la vía central, se puede suponer que es posible el proceso inverso, o sea, que los distintos intermediarios de la glucólisis y del ciclo de Krebs pueden servir como precursores para la biosíntesis. Y así es. Sin embargo, las vías biosintéticas, aunque son semejantes a las catabólicas, se diferencian de ellas. Hay enzimas diferentes que controlan los pasos y hay varios pasos críticos del anabolismo que difieren de los de los procesos catabólicos.

Para que ocurran las reacciones de las vías catabólica y anabólica debe haber un suministro constante de moléculas orgánicas que puedan ser degradadas para producir energía y deben estar presentes moléculas que serán los ladrillos de construcción. Sin el suministro de estas moléculas, las vías metabólicas dejan de funcionar y la vida del organismo finaliza. Las células heterótrofas (incluyendo a las células heterótrofas de los vegetales, tales como las células de las raíces) dependen de fuentes externas, específicamente de células autótrofas, para obtener las moléculas orgánicas que son esenciales para la vida. Las células autótrofas, por el contrario, son capaces de sintetizar monosacáridos a partir de moléculas inorgánicas simples y de una fuente externa de energía. Luego, estos monosacáridos se utilizan no sólo para suministrar energía, sino también como sillares de construcción para la variedad de moléculas orgánicas que se sintetizan en las vías anabólicas. Las células autótrofas más importantes, sin lugar a dudas, son las células fotosintéticas de las algas y las plantas que capturan la energía de la luz solar y la utilizan para sintetizar las moléculas de monosacáridos de las cuales depende la vida en este planeta.

Aquí tenéis dos excelentes presentaciones con las que podréis comprender perfectamente todo lo relacionado con el balance energético de la glucólisis aeróbica.

Rendimiento de una molécula de glucosa

Fosforilación oxidativa